Facultad de Química INFORME TÉCNICO Laboratorio de Ingeniería Química I Título del informe: Experimento 2 “Balance de materia a régimen no permanente “
Responsables: Burgueño Bucio Fernando Alonso Cortés Cortés Diego Grupo: 8
Fecha de entrega: 3/09/2014
I. Introducción
Balance de materia
El concepto de balance de materia está basado en la ley de conservación de materia o la ecuación de continuidad. Entradas – Salidas + Producción = Acumulación
Los términos de las ecuaciones anteriores tienen dimensiones de masa, como gramos, kilogramos, moles todos ellos por hora, si el proceso es continuo o permanente. Si no es así, el valor de la masa estará variando con la unida de tiempo, independientemente de cuál sea la unidad.
En los sistemas continuos o permanentes la acumulación es igual a cero. En los sistemas sin reacción química, la producción es igual a cero.
Definición de régimen no permanente. Si los valores de las variables de proceso (temperatura, presión, volumen, flujo másico, etcétera) en un punto dado el proceso sufren modificaciones a lo largo del tiempo, se dice que el sistema está operando a régimen no permanente y en este caso de dice que en el término de acumulación es diferente de cero. Acumulación: variación en el «contenido»: dependiendo de la diferencia entre los flujos de salida y entrada de la magnitud controlada el «contenido» del sistema en esa magnitud puede ir variando: 1. ƒ si aumenta se dice que se acumula o se produce acumulación. 2. ƒ si disminuye se dice que se desacumula o se produce desacumulación
PROBLEMA
Establecer la ecuación de balance de materia para el monoetilenglicol (MEG) durante la etapa de dilución. Esta ecuación debe permitir conocer la variación de la concentración del MEG a lo largo del tiempo.
II. Metodología 2.1 Preparación del equipo
Cerramos la válvula de salida de la probeta de alimentación y posteriormente se procedió a llenarla con la solución problema hasta el máximo nivel. Colocamos la barra magnética de agitación en mezclador e iniciamos la agitación con la barra de agitación en movimiento depositamos la solución en el mezclador y abrimos la válvula de salida de la probeta de alimentación, hasta el derrame. Y anotamos el volumen de la
solución depositada en el mezclador (Vm). A
continuación seleccionamos la velocidad de 4, añadiendo la mampara para un mejor agitado.
2.2 Determinación del flujo y de la composición de la corriente de salida. Abrimos la válvula de alimentación del mezclador y activamos la bomba para iniciar la dilución cuando el agua entro al mezclador activamos el cronómetro, con la ayuda de una jeringa tomamos un volumen. En total se hicieron 12 mediciones primeras 5 cada 30 s, después otras 5 cada minuto y las últimas 2 mediciones con 2min de diferencia. . Con un cronómetro y la probeta instalada en la salida del mezclador, además de la válvula de descarga cerrada, se determino el flujo volumétrico, midiendo los incrementos de volumen y tiempo, el manejo de residuos se manejo de acuerdo el protocolo. Presentación de datos Tabla 1. Composición de las muestras Tiempo (segundos) 30 60 90 120 150 210 270 330 390 450 570 690 810 30
IR 1,362 1,356 1,351 1,346 1,344 1,342 1,336 1,335 1,3345 1,3335 1,3330 1,3326 1,3326 1,3326
Los datos de porciento masa fueron calculados mediante la ecuación IR = 0,001*(% peso) + 1,3326
% masa 29,4 23,4 18,4 13,4 11,4 9,4 3,4 2,4 1,9 0,9 0,4 0 0 0
Tabla 2. Medición de flujo de salida Δ V (mL) 76 77 80 75 72
1 2 3 4 5
Δ θ (s) 10,28 10,25 11,09 10,25 10,03
Δ V / Δ θ (mL/s) 7,39 7,51 7,21 7,32 7,18
Δ V / Δ θ (mL/s) Promedio 7,32
Manejo de datos
Tabla de resultados
tiempo (segundos) 0,00 30,00 60,00 90,00 120,00 150,00 210,00 270,00 330,00 390,00 450,00 570,00 690,00 810,00
IR % masa 1,3620 29,4 1,3560 23,4 1,3510 18,4 1,3460 13,4 1,3440 11,4 1,3420 9,4 1,3360 3,4 1,3350 2,4 1,3345 1,9 1,3335 0,9 1,3330 0,4 1,3326 0 1,3326 0 1,3326 0
mol MEG 0,47 0,38 0,30 0,22 0,18 0,15 0,05 0,04 0,03 0,01 0,01 0,00 0,00 0,00
mol agua 3,92 4,26 4,53 4,81 4,92 5,03 5,37 5,42 5,45 5,51 5,53 5,56 5,56 5,56
% mol 10,78 8,14 6,14 4,29 3,60 2,92 1,01 0,71 0,56 0,26 0,12 0,00 0,00 0,00
% vol M exp M calc vol Meg 27,22 4,88 4,88 26,41 21,53 3,86 3,68 21,02 16,84 3,02 2,78 16,53 12,20 2,19 2,10 12,04 10,36 1,86 1,58 10,24 8,53 1,53 1,19 8,44 3,06 0,55 0,68 3,05 2,16 0,39 0,39 2,16 1,71 0,31 0,22 1,71 0,81 0,15 0,13 0,81 0,36 0,06 0,07 0,36 0,00 0,00 0,04 0,00 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00
M experimental y M calculad vs tiempo 6.00
M (mol/l)
5.00 4.00 3.00 Series1 Series2
2.00 1.00 0.00
t (seg)
Problema Práctica y adicional.
De los datos obtenidos de % peso se determina % mol y % Vol con los siguientes datos. Peso molar MEG: 62.07 g/mol Peso Molar de H2O: 18 g/mol Densidad MEG: 1.113 g/cm3 Densidad de H2O: 1 g/cm3
masa MEG P.M MEG (100%) %mol= masa MEG masa de H 2O P. M MEG P.M H 2O
masa MEG Densidad MEG %volumen= masa MEG masa de H 2O densidad MEG densidad H O 2
(100%)
masa MEG P.M MEG Molaridad= masa MEG masa de H 2O 1000ml Densidad MEG Densidad H 2O 1l
Se determina analíticamente una ecuación que describa el comportamiento del sistema Un balance de materia se compone de: Entradas – Salidas + Reacción Química = Acumulación Como en este caso no tenemos una reacción el balance queda: Entradas – Salidas = Acumulación
CE QE CS QS
d dt
Donde : CE Concentración de MEG a la entrada QE Flujo de entrada CS Concentración de MEG a la salida QS Flujo de salida
Sabiendo que: =CV y C E 0 Por lo tanto: dCV CS QS dt
Desarrollando : dV dC CS QS C V dt dt Como el V cte ; dV 0 dC CS QS V dt Resolviendo la ecuación diferencial:
Q - S V
t
C
0
C0
dt
dC CS
C QS t ln V C0 Quedando la ecuación que define al sistema:
C Co e
Qs t V
¿Determinar el tiempo que tiene que trabajar la bomba para reducir la concentración inicial en un 80%?
Co 4.88 M
C 4.88M 0.2 0.976 M ml s V 895ml Qs 7.32
De la ecuación que rige el comportamiento del sistema: C Co e
Qs t V
Despejando tiempo: V t QS
C ln C0
895ml t ml 7.32 s
0.976 M ln 196.782 s 4.88M
Aplicaciones:
El ácido sulfúrico H2SO4, es un líquido incoloro, viscoso, con una densidad de 1.8537 y una temperatura de ebullición de 270 °C. Su anhídrido, SO 3, también es un líquido de densidad 1.857 y una temperatura de ebullición de 44.8°C. El ácido sulfúrico es hasta ahora el producto químico que se produce en mayor volumen y se vende o se utiliza comercialmente en una gran diversidad de concentraciones que incluyen 78 % peso, 93 % peso, 96 % peso.
El ácido sulfúrico tiene varias propiedades convenientes que permiten utilizarlo en una gran diversidad de aplicaciones. Por lo general, es menos costoso que cualquier otro ácido; puede manejarse de manera conveniente en acero o aleaciones comunes a concentraciones comerciales normales.
Un ejemplo típico de un proceso de estado no estacionario puede ser la puesta en marcha de una columna de destilación, que alcanzará eventualmente un conjunto de condiciones de operación de estado estacionario. De hecho, cuando se examina con más detalle se encuentra que la columna siempre opera en estado estacionario con pequeñas fluctuaciones de temperatura y composición, que se producen en todo momento pero que posiblemente posible oscilan alrededor de los "valores medios de estado estacionario”. El análisis dinámico ayuda a minimizar las desviaciones de las especificaciones del producto durante la puesta en marcha, parada o cambio en los niveles de operación. Bibliografía: FELDER, R. M., ROUSSEAU, R. W., Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd Cottrell, I. W., Baird J. K., "Gomas", en Enciclopedia de tecnología Química Kirk-Othmer, Limusa, 1998, traducción española de: Mark H.F., Othmer D.F., Overberger C. G., Seaborg G. T. (ed.), Kirk-Othmer Concise Encyclopedia of Chemical Technology, Wiley, New York, 1998
